（机械制造及其自动化专业论文）基于usb接口的管螺纹刀片测量仪的研究.pdf

基于u s b 接口的 管螺纹刀片测量仪的研究 机械制造及其自动化专业 研究生徐卫指导教师黄惟公 伴随着人类对零件的精密度的要求不断提高，刀具在加工工业的重要性得 到日益提升；人们对刀具检测设备的要求越来越高，普通的光学投影加目测已 经完全无法满足自动化生产过程的需要。基于这种需求的现状，加之计算机视 觉技术的不断发展，一种基于c c d 的刀具检测系统孕育而生。在c c d 的使用 上，随c c d 器件本身的不同，一般分为两种：面阵c c d ：线阵c c d 加机械传 动系统。在这两种方式中，人们出于精度、成本的考虑，逐渐趋向于选择后一 种方式。采用线阵c c d 、机械传动系统的多功能测控单元和p c 机相结合，对 被测物体的数据信息进行快速采样、存储及数据处理，是线阵c c d 数据采集 系统发展的新方向。 管螺纹刀片测量仪是由两个子系统构成：p c 处理子系统，多功能测控单元 子系统。多功能测控单元子系统又分为信号采集和机械传动。c c d 图像信号采 集完成某个固定横向点上纵向数据的采集；机械传动不断完成刀具横向上的移 动，与此同时，采用光栅传感器来计量机械传动的步进量，最终配合完成整个 刀具的数据采集。采集到的数据按每个横向点通过u s b 上至上位机，进行数据 处理和显示。 论文在完成管螺纹刀片测量仪理论论证的同时，提出了一种基于u s b 接口 和线阵c c d 的多功能测控单元来实现管螺纹刀片高精度测量的方法。论文的 主要内容和成果如下： 1 、了解刀片检测的现状和趋势，完成管螺纹刀片测量仪的总体方案设计， 其中包括测量仪的总体设计、模块划分、多功能测控单元的方案设计以 及系统的工作模式设计； 2 、了解线阵c c d 的测量原理，运用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 完成对线 阵c c d t c d l 5 0 1 d 驱动时序的设计： 3 、为了提高测量仪的测量精度，论文先对线阵c c d 输出的高速图象信号 差分放大等信号调理后，采用高速a d c t l c 5 5 1 0 完成c c d 信号的高 速采集，并采用8 k 的r a m - c y 6 2 6 4 对数据缓存： 4 、把多功能测控单元的整体控制( 包括线阵c c d 时序控制，数据采集、 传输) 集成到复杂可编程逻辑器件( c p l d ) d ? 去，提高了系统的集成度； 5 、应用g p i f 方式读取缓存数据，并采用u s b 接口实现了与上位机的数据 通信，目的就是增强数据传输的速度、提高现场工作效率； 6 、对采集的数据进行简单处理，并编制了用户接口软件直观显示出测量结 果。 关键词：u s b ，线阵c c d ，刀具检测，c p l d ，驱动 d e v e l o p m e n to ft h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gc h a s e r b a s eo nu s bi n t e t r a c e m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e x uw e is u p e r v i s o r ：h u a n gw e i - g o n g 、撕mt h ep e o p l ei n c r e a s i n gu n c e a s i n g l yf o rt h ec o m p o n e n t sa c c u r a c yr e q u e s t , t h e c u t t i n gt o o lo b t a i n si t si m p o r t a n c eb yd a i l yp r o m o t i o ni nt h ep r o c e s s i n gi n d u s t r y i t i sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ot h ec u r i n gt o o l sf o rt h ec h e c k - o u tf a c i l i t yr e q u e s t , t h e o r d i n a r yo p t i c a lp r o j e c t i o nw i t ht h er a n g ee s t i m a t eh a sb e e na l r e a d yu n a b l et os a t i s f y t h en e e do ft h ea u t o m a t i o np r o d u c t i o n b a s e d0 1 1t h i sk i n do fd e m a n ds i t u a t i o n p r e s e n t , a n dw i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n t o f t h ec o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y , o n ek i n d o fc u t t i n gt o o lm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h ec c dh a sb e e nb r e e d i n g c c di s d i v i d e di n t ot w ok i n d sg e n e r a l l yb yt h ed i f f e r e n c eo fi t s e l f ：a r e aa r r a yc c da n d l i n e a rc c dw i t ht h em e c h a n i c a l l y - d r i v e nd e v i c es y s t e m i nt h e s et w ok i n d s c o n s i d e r i n gf r o mt h ep r e c i s i o na n dt h ec o s t , p e o p l ea l et e n d e dt oc h o o s et h el a t t e r g r e d l l a l l y c o m p o s i n g t h e m e c h a n i c a l l y - d r i v e nd e v i c es y s t e m , m u l t i - p u r p o s e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i ta n dp ci n t oa ni n t e g e r , t h en e wd k e a i o no fl i n e a r c c ds y s t e mi sm e a s u r i n gd a t am e s s a g ew i t ht h ef a s ts a m p l i n ga n ds t o r i n gd a t a p r o c e s s i n g t h ec h a s e rm e a s u r i n gs y s t e mi sc o n s t i t u t e db yt w os u b s y s t e m s ：p cp r o c e s s i n g s u b s y s t e ma n dm u l t i - p u r p o s em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i ts u b s y s t e md i v i d e di n t o s i g n a la c q u i s i t i o n a n dt h e m e c h a n i c a l l y - d r i v e n d e v i c e c c di m a g e s i g n a l a c q u i s i t i o nc o m p l e t e ss o m ef i x e d l yc r o s s w i s et og a t h e rt h el o n g i t u d i n a ld a t a t h e m e c h a n i c a l b ，- d r i v e n d e v i c e c o m p l e t e s t h e c u t t i n gt o o l c r o s s w i s ee a r t h e np o t u n c e a s i n g l yt h em i g r a t i o n , a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h ed i f f r a c t i o ng r a 虹n gs e n s o rt o m e a s u r et h es t e pv a l u eo f t h em e c h a n i c a l l y - d r i v e nd e v i c e ，a n df i n a l l yc o o r d i n a t e st o c o m p l e t et h ed a t aa c q u i s i t i o no f t h ew h o l es y s t e m d a t ao b t a i n e di sc a r r i e dt h r o u g h u s bo ns u p r e m ep o s i t i o nm a c h i n ea c c o r d i n gt oe a c hc r o s s w i s es p o tf o rp r o c e s s i n g a n dd i s p l a y i n g a tt h et i m eo fc o m p l e t i n gt h ec h a s e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n tt h e o r yp r o o f , t h i s p a p e rp r o p o s e d o n ek i n dm e t h o do nr e a l i z i n gt h ec h a s e rh i g h - a c c u r a c ys u r v e yb a s e d o nt h eu s bc o n n e c t i o na n dt h el i n e a rc c dm u l d p u r p o s em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 u n i t ，t h ep r i m a r yc o v e r a g ea n dt h ea c h i e v e m e n to f t h i sp a p e ra l ef o l l o w e da sb e l o w ： 1 s t ,u n d e r s t a n d i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et e n d e n c yo fc u t t i n gt o o l d e t e c t ，t h ep a p e rc o m p l e t e st h eo v e r a l lc o n c e p td e s i g no ft h ec h a s e rm e a s u r i n g i n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ts y s t e md e s i g n ，t h em o d u l ed i v i s i o n ， t h em u l t i - p u r p o s eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lu n i tp r o j e c td e s i g na sw e l la st h es y s t e m w o r k i n gp a t t e r nd e s i g n 2 n d ，u n d e r s t a n d i n g t h e m e a s u r i n gp r i n c i p l e o fl i n e a rc c d ，t h ep a p e r c o m p l e t e st h el i n e a rc c d - t c d l5 0 1 da c t u a t i o ns u c c e s s i o nd e s i g nb yc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) 3 r d ， i no r d e rt oe n h a n c em e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h es y s t e m , t h ep a p e rf i r s t u s e sh i g hs p e e da d c ，t l c 5 5 1 0t oc o m p l e t et h ec c ds i g n a lh i g hs p e e dg a t h e r i n g ， a n dt h ed a t ab u f f e ri s8 kr a m - c y 6 2 6 4a f t e rt h el i n e a rc c do u t p u th i 曲s p e e d i m a g es i g n a l 4 t h ， i nt h em u l t i - p u r p o s em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i t ，t h ew h o l ec o n t r o l ( i n c l u d i n g l i n e a rc c ds e q u e n t i a lc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o n ) i s i n t e g r a t e di nc p l d ，e n h a n c e dt h es y s t e mi n t e g r a t i o nr a t e 5 t h ，t h eb u f f e rd a t ai so b t a i n e di nt h eg p i fw a y , a n du p l o a d e dt op cb yt h e u s bi n t e r f a c e ，a n dt h eg o a li st os t r e n g t h e nt h ed a t at r a n s m i s s i o nt h es p e e da n d e n h a n c e st h ef i e l dw o r ke f f i c i e n c y 6 t h ，g a t h e r i n gd a t ai ss i m p l yp r o c e s s e da n du s e ri n t e r f a c es o f t w a r ei sv i s u a l l y e s t a b l i s h e dt od i s p l a ym e a s u r e m e n tr e s u l t k e y w o r d s ：u s b ，l i n e a rc c d ，t o o ld e t e c t ，c p l d , d r i v i n g 西华大学硕十毕业论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：彩余卫刀矿年r 月日 导师签名磕t 产公, - - 7 年，月7 日 - 7 2 - 西华大学硕士毕业论文 l 引言 随着科学技术的发展，对制造业加工精度要求也越来越高，而零件的表面 越来越复杂，微小尺寸零件的加工也随之与日俱增；相应地，检测设备和检测 手段需要不断提高以适应社会的发展，论文将介绍一种测量管螺纹梳刀刀片的 检测方法及手段，以供探讨。 1 1 管螺纹梳刀刀片测量仪的研究依据和研究意义【1 h l q 根据加工管螺纹梳刀刀片的不同以及不同精度要求，在实践中有多种方法 可以对刀片的各种参数进行检测。 长期以来，我国主要用投影仪将管螺纹梳刀刀片放大，然后人工比较、判 断，对梳刀刀片进行检测。这些检测方法缺点主要表现在以下几方面： 1 ) 这些检测方法都需要人工直接进行操作，测量精度跟操作人员有密切地 关系； 。 ， 2 ) 许多方法在检测过程中测量仪器要与管螺纹梳刀刀片发生直接接触，其 结果是导致管螺纹梳刀刀片的损伤及测量精度的下降； 3 ) 因方法的局限性导致传统管螺纹梳刀刀片测量精度相对较低； 4 ) 整个测量过程耗时、耗力，工作效率低下。 对予以上的这些缺点，研究人员也花费了大量的精力，对管螺纹梳刀刀片 的检测方法进行不断地改进。但因理论和方法的局限性，其研究的重点主要集 中在对管螺纹梳刀刀片检测的数据处理方面和对传统测量方法的些优化上， 很难有本质性地改变。在国外，尤其是在美国和日本，刀具的检测技术处予世 界领先地位。在对管螺纹梳刀刀片的几何参数测量方面，一种称为激光投影一 元照相法的管螺纹梳刀刀片测量方法，代表着刀具的最新测量技术。 而本课题的研究对象是石油管螺纹梳刀刀片。 对于开采石油的管道要深入地下上千米，对每一节之间的管螺纹加工要求 相当高，其尺度精度要求在约为十微米级。而对于加工如此精密管螺纹的梳刀 刀片的测量难度更是不言而喻。随着测量技术及计算机图形处理技术的日益成 熟，用机器视觉实现表面形状及尺寸测量的系统越来越多。 用机器视觉实现刀片尺寸测量主要采用c c d ( c h a v g ec o u p l e dd e v i c e 电荷 两华大学硕l 毕业论文 耦合装置) 。c c d 传感器具有高精度、高分辨率、性能稳定、功耗低、寿命长 以及具有自动扫描功能等特点，在自动精密测量等方面，得至旷泛应用。它主 要有以下特点： 1 ) 集成化、轻量化。在保持具有很高灵敏度的特性下，c c d 传感器的尺 寸向小封装发展。 2 ) 向商像素、多制式发展。各种c c d 传感器的像面尺寸在减小，但其像 素数在增加，甚至出现超过百万像素的c c d 传感器。为提高水平和垂直方向 的分辨能力，己从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。 3 ) 降低c c d 传感器的工作电压，减少功耗。初期研制的c c d 摄像机有 + 2 4 v 、+ 2 2 v 、+ 1 7 v 和+ 1 2 v 等，目前通用的为+ 1 2 v 。为配合p c 摄像机和网 络图像传输的应用，逐步以+ 1 2 v 为主。 目前，用c c d 传感器实现刀片尺寸测量方法主要有两种： 1 ) 采用面阵c c d 、显微镜和工控机组成的测量系统； 2 ) 采用线阵c c d 、显微镜、工控机和机械传动系统组成的测量系统。 第一种方式因昂贵的价格使其难以普及，随着人们对成本、精度、方便等 因素的考虑，人们逐渐转向使用线阵c c d 来完成对刀具等要求精度比较高的 测量场合的检测。单从线阵c c d 本身看，它越来越广泛地被应用到工业、军 事、民用行业。采用线阵c c d 数据采集卡和微机相结合，对被测图像信，雠 行快速采样、存储及数据处理，是线阵c c d 数据采集发展的新方向。配以适 当的光学系统，可以实现光一机一电一算一体化设计。 线阵c c d 被广泛应用于非接触式测量场合。采用线阵c c d 的数据采集卡 和p c 机相结合，对被测物体的数据信息进行快速采样、存储及数据处理，是 线阵c c d 数据采集系统发展的新方向。 在对目前国内管螺纹梳刀刀片测量技术充分调查的基础上，提出了管螺纹 梳刀刀片几何参数测量仪的研制，其目的是：研制种基于计算机视觉处理的 非接触式的管螺纹梳刀刀片几何参数自动测量仪。它将集机械、电予、光学、 计算机技术为一体，并采用高精度的计算方法，对管螺纹刀片的几何参数进行 准确地测量。通过管螺纹刀片几何参数测量仪的研制，将克服传统管螺纹刀片 测量方法的所有缺点，对管螺纹刀片的检测可实现全自动化，同时也使国内管 西华大学硕士毕业论文 螺纹梳刀刀片检测技术挤身于世界先进行列，对现代制造业也必将起到悒进的 作用。 1 2 管螺纹梳刀刀片测量仪的发展状况和趋势【1 h 6 1 通过相关文献及数据库的查阅，有关管螺纹刀片测量仪的文献比较，而被 加工螺纹的测量比较多，和刀片测量原理相似。对螺纹最新的发展成果与动主 要如下几个方面： 1 ) 在传统管螺纹刀具测量的原理和方法的基础上作改进。 在这方面的研究主要集中在两个方面：其一是对螺纹测量仪硬件的改进及 原理的修正；其二是对误差处理的方法的研究。比如在机械制造1 9 9 9 年第 6 期的精密的普通螺纹与参数求解一文中，就阐述了一种通过在微型万能 显微镜上，测量平行于螺纹轴线任意相邻牙型上的三点，获得螺纹中径的方法， 该方法从原理和数据处理上，都对传统测量法进行了改进。 2 ) 基于传统测量仪，针对特殊螺纹开发专用的测量仪器。 在这方面的研究，因应用范围的限制受到一定的影响。这里以同步螺纹测 量仪的研制为例来说明。工具技术1 9 9 6 年v 0 1 3 0 的同步螺纹的测量一 文中，提出了一种专用的同步螺纹测量仪，他使用方法是：将样件旋转在量具 上，首先使样件1 与样件2 之间的螺纹啮合，然后仔细地左右移动滑块，使样 件与滑块螺纹相互啮合，当样件螺纹与滑块螺纹问的啮合面达到9 0 以上后， 样件的位置即调整完毕，然后对百分表校对零位，取下样件，即可进行零件的 同步误差比较。测量时，被测量螺纹的安放与调整方法与样件相同，调整好被 测螺纹后，百分表显示的绝对数值即为该零件的同步螺纹测量偏差。 3 ) 基于计算机视觉的非接触自动测量仪。 基于计算机视觉的非接触自动测量技术，是随着近年来光学成像技术和计 算机技术的发展而产生的。如在传动技术1 9 9 9v 1 1 3 n 0 2 轿车用螺纹紧固 件的自动检测技术一文中提出了一种基于计算机视觉的非接触螺纹测量技术。 基于计算机视觉的非接触自动测量系统由照明光源、测量夹具、c c d 摄像 机、图形采集卡和计算机及输出设备组成，如图l l 所示。 西华大学硕士毕业论文 c c d 专用于维采集 解决- - - t t 问题 7 ! f ，、 叫系统聚集组件卜_ 卜 u j 上 ! 篪 飞 乒嘲； ， l 一 1 l 一j 作管 丁 l 丝杆螺母机构k _ 一驱动器1 f 嘧u r e l 一1n o - c o n t a c t a u l o - m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e d o nc o m p u t e r v i s i o n 图1 - 1 计算机视觉的非接触自动测量系统 其工作过程为：照明光源发出的光线为待测螺纹调制后在c c d 摄像机光 敏面上成像，c c d 摄像机后继电路将这一图像转换为标准电视信号，电视信号 通过系统采集组件经采样和灰度量化后转换为数字图像，计算机对数字图像进 行处理，根据螺纹的轮廓序列计算出数字化的螺纹参数，通过判断螺纹轮廓和 其他参数指标是否匹配，来检验被测量螺纹是否合格。并将测量结果通过显示 器或打印机输出。 通过对目前国内外螺纹参数测量仪的调研，发现在传统螺纹的基础上进行 一定的改进或研究专用的螺纹测量仪，都不能从根本上解决螺纹测量低效率、 高成本的问题；而从国外引进先进检测设备，也不利于降低成本，同时也形成 技术上的依赖，因此，也不是最佳的方法。 对于在传动技术1 9 9 9 v 1 3 n 0 2 轿车用螺纹紧固件的自动检测技术 一文中提出的基于计算机视觉的非接触螺纹测量技术，是一个很有参考价值的 新思路，但它仅仅是针对接触可靠性的螺纹低精度综合检测，并未涉及螺纹几 何参数的数值测量，且用面阵c c d 作为传感器会带来大量的图像数据，并将 西华大学硕士毕业论文 对测量系统硬件提出很高的要求，这无疑将增加测量系统的成本。更重要的是 目前面阵c c d 的分辨率不能实现更高精度的测量，因此，选用面阵c c d 来研 制商精度、低成本的管螺纹梳刀刀片自动测量仪在短期内很难实现。 本文将对一种高精度、低成本、高效率的管螺纹梳刀刀片参数自动测量仪 进行研制。 1 3 论文内容及其特色 本论文所完成的任务主要是研制管螺纹梳刀刀片的测量仪，主要包括： 1 ) 多功能测控单元的设计与研制： 2 ) 数据处理与显示。 本论文的主要任务在于多功能测控单元的设计与研制。多功能测控单元主 要具有以下功能： 1 ) c c d 传感器的驱动设计； 2 ) 高速数据采样通道设计； 3 ) 高精度丝杆螺母传动机构的驱动和度量； 4 ) 数据的存储与传输； 5 ) u s b 2 0 接口设计与通信。 在该管螺纹梳刀刀片测量仪系统的设计中，我们采用了一种不需要c p u 参 与的直接存储技术，可大大提高数据采集及存储速度，整个系统有如下一些特 点： 1 ) 高度自动化 在整个测量过程中，测量人员只需将被测量管螺纹梳刀刀片放到工作台， 然后启动系统，如对机械部分进行扩充，可实现大批量管螺纹梳刀刀片的全自 动检测，实现测量过程的高度自动化。 2 ) 高度灵活性 对于本测量系统如需要测量其它类型的零件，只需改进算法即可。以因算 法的实现是使用的高级语言，因此很容易实现软件的扩充和更改，基于此可以 说整个系统具有高度灵活性。 3 ) 系统的集成控制 西华大学硕士毕业论文 本文把系统的整体控制( 包括线阵c c d 驱动时序控制，数据采集、传输) 集成到复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 中去。这样，大大缩小了该系统的体积，降 低了系统功耗，保证了产品的质量；而且c p l d 还允许设计编程加密，增加了 系统的安全性；同时有利予对该系统逻辑控制的升级。 4 1 商精度 使用高速a d c 完成对c c d 输出的高速图象信号的采集，同时也很好地解 决了图象存在的边缘效应。 系统误差加上数据近似处理误差不超过7 u m 。而且在选用更高分辨率的 c c d 并改善数据处理算法后，测量精度可得到进一步提高。 5 ) 基于u s b 2 0 接口的设计 系统的数据量比较，为了能够快速地传输数据，本设计选择使用u s b 2 0 接口来完成多功能测控单元中数据与上位机的传输。使用u s b 2 0 接口具有以 下优点： ( 1 ) 数据传输速率高 ( 2 ) 数据传输可靠 ( 3 ) 同时可挂接多个u s b 设备 ( 4 ) u s b 接口能p - 为设备供电 ( 5 ) 支持热插拔 u s b 还具有一些新的特性，如：实时性( 可以实现和一个设备之间有效的 实时通信) 、动态性( 可以实现接口间的动态切换) 、联合性( 不同的而又有相 近的特性的接口可以联合起来) 、多能性( 各个不同的接口可以使用不同的供电 模式) 。 6 ) 低成本 因采用低成本的线阵c c d 及复杂可编程逻辑器件和8 位单片机系统，同 时对p c 机要求不高，从而降低了整个系统成本。 西华大学硕士毕业论文 2 测量仪的工作原理和总体设计 本章将对基于计算机视觉处理的非接触式管螺纹梳刀刀片测量仪的基本原 理及总体设计方案进行总体介绍及分析。管螺纹梳刀刀片测量仪的要求： l v v k 旧 叠 争 t 了 l 幽 否 i 锄蜘口五 技术要求 其畚可 i 加工揸壹( 几何尺寸) 使用均以周遗 b 力基堆， 平面发免差o 8 晒与乃片底面垂直艘不太亍o 0 1 ， l 精切啻肯疆齿底赴r 的形状误差币起翅0 0 1 二世能直 线性浞羞不 丁o 0 0 5 齿部表| 面粗梃 薏币纸于吲 3 齿部不得有秉纹缺口崩刃，空嗣等缺惜， 。 刀片表而缓迸行c v d 盛w d 涂层，潦层前刃口须进行 钝化赴理刃1 3 饨化r 为d 明o 0 6 ，涂层技术要求为定 5 标记：c 1 0 l i 一 f 叼u r e 2 - 1c u t t i n gt o o lm e c h a n i c a ld r a w i n g 图2 - 1 刀具的机械图 f i g u r e 2 _ 2c u t t i n gt o o lt o o md e p a r t m e n te n l a r g e m e n tm e c h a n i c a ld r a w i n g 图2 - 2 刀具齿部放大的机械图 7 西华大学硕士毕业论文 2 1 测量仪的工作原理i 1 】 本课题所研究的是一种基于计算机视觉处理的非接触管螺纹梳刀刀片测 量仪，其核心是光电的综合应用。 基本工作过程为：摆放在工作台上的被测量管螺纹梳刀刀片，在平行光源 的照射下，在其后的c c d 器件上产生影子，结果是导致c c d 器件上的光敏元 接收到不同强度的光强，并将其转换为电信号。该信号经高速a d c 采集、处 理，从而得到管螺纹梳刀刀片的各种参数。 在测量过程中，为了测量管螺纹梳刀刀片的几何参数，测量需要将被测量 管螺纹梳刀刀片在工作台相对于c c d 作平行移动，采集很多组数进行处理能 获得结果。测量仪的基本原理如图2 - 3 所示。 c c d 介 f 、 一信号潮h a d c h 存储t 器l u 血少 点翮网腼 e 。 一、兀一 丰 1 作苗 。 l 。l 光栅长席计 7 l 丝杆螺母机构i 莯秬苺 r e 2 - 3e n t r es y s e mp r i d p l es l m t u r e 系统的原理框图 刀刀片测量仪主要对目前石油管螺纹梳刀刀片外形等参数的检 测。现有图像检测理论，以线阵ccd摄像头接收管螺纹梳刀刀片投影信 号，集到计算机内部。通过边缘处理技术和自行开发的软件对石油管螺纹一8 西华大学硕士毕业论文 梳刀刀片各项几何尺寸进行测量和分析。其中线阵c c d 的应用是视觉处理的 核心，而在数据采集、处理及机械部分的控制中，线阵c c d 得到广泛应用。 管螺纹梳刀刀片测量仪主要由4 部分组成： 1 ) 外部光路成像系统 主要由点光源产生平行光用于均匀地照射被测的管螺纹梳刀刀片，并在线 阵c c d 上成一维的图象信号。该部分的性能直接影响到线阵c c d 的感光效果， 也直接影响到整个系统的性能。 2 ) 线阵c c d 数据采集系统 该部分是管螺纹梳刀刀片测量仪最重要的部分，他主要负责采集线阵c c d 输出的一维图象信号，另外该部分还负责线阵c c d 的驱动时序设计，标准的 线阵c c d 的驱动时序能够产生最佳的图象信号。 3 ) 步进电机驱动的机械丝杆螺母传动机构系统 该部分的作用是把维的图象信号变成二维信号：步进电机驱动的机械丝 杆螺母传动机构完成管螺纹梳刀刀片的横向移动，在每移动一步，线阵c c d 数据采集系统就负责采集一次纵向的图象数据信号，通过不断移动完成整个管 螺纹梳刀刀片的测量。 4 ) 数据处理和分析 该部分指采集到数字图象信号的处理和分析的操作。采集来的图象信号并 不能完全用于管螺纹梳刀刀片的几何参数分析，这些信号需要对其处理i 例如 边界效应处理。 2 2 系统整体方案设计 在管螺纹梳刀刀片测量仪系统设计中，机械丝杆螺母传动机构的驱动器可 以使用步进电机来实现，尤其是经过细化的步进电机完全可以达到系统对机械 丝杆螺母传动机构运动的要求：系统要求采集的精度精确到1 5 t t m ，管螺纹梳 刀刀片测量仪最大细化做到l u m 的步进电机。这种步进量采用光栅测量长度完 成测量任务。光栅测量、步进电机的驱动和最重要的线阵c c d 数据采集系统 设计到一个多功能测控单元中。这个多功能测控单元将是论文的设计重点。该 系统整体设计的具体框图如图2 - 4 所示。 9 两华大学硕士毕业论文 整个系统的测量过程大致如下：光源照射在被测量管螺纹梳刀刀片上，管 螺纹梳刀刀片的外形轮廓投影在线阵c c d 上，线阵c c d 输出相应的光感电荷， 经过放大滤波初步处理后，进行m d 转换形成数字图像，并同步存储于数据存 储器中，然后中片机通过u s b 2 0 口将其发送给p c 机进行图像处理，最终在计 算机屏幕上显示出测量参数。 l 嚣器p c r t ，i c d l 线阵c c d 厂_ y 多功能 1 r l 燃量b 测控单元 i 机构一 k 、 p c 机或 ii 嵌入式主板 悸燃f i 驱动机构l 、广_ f i g u r e 2 - 4s y s t e mo v e r a l ld e s i g nd i a g r a m 图2 4 系统整体设计框图 2 3 多功能测控单元的方案设计 多功能测控单元主要负责管螺纹梳刀刀片测量仪系统的总体控制和数据 信息的采集。其中数据采集又包括线阵c c d 图象数字信号和步进电机的步进 测量。在采集线阵c c d 图象数字信号中有两个比较重要的环节就是： 1 ) 线阵c c d 的驱动设计； 2 ) 线阵c c d 的输出信号的高速采集。 对于线阵c c d 的驱动时序的设计，传统的实现方法( 如小规模集成电路实 现、用e p r o m 实现、基于单片机实现等) 已经不能够很好地满足线阵c c d 应 用向高速化、小型化、智能化发展的需要。线阵c c d 对其驱动脉冲要求比较 高，设计中选用能够并行执行的可编程逻辑器件( c p l d ) 来完成线阵c c d 的 驱动脉冲设计。这样，可以做到六路驱动并行驱动，提升了线阵c c d 的执行 速度，同时保证了线阵c c d 驱动时序的精度。系统设计的大多数功能的具体 实现都集中在c p l d 中，在c p l d 需要内部完成的系统总体时序控制设计主要 西华大学硕士毕业论文 分为三部分： 1 ) c c d 驱动时序发生器，它根据t c d l 5 0 1 d 的具体驱动时序逻辑的要求， 产生c c d 工作所需的六路驱动信号( c p 、s p 、r s 、s h 、m 1 b 和m 2b ) ，并通 过积分控制信号s h 设定不同的c c d 积分周期用于提供时钟控制信号； 2 ) 对c c d 输出信号放大后的数字信号的a d c 采样的控制，存储。 3 ) 与带5 l 内核的u s b 2 0 通信接口芯片通讯。 在本设计中，所有驱动和控制时序信号都是在i s e6 2 开发环境下设计完成 并经编译、校验后在线下载到c p l d 内部的。本文采用v e r i l o gh d l 完成各个 模块的设计，包括驱动模块、采集模块、通讯子模块；采用v e r i l o gh d l 将各 模块连接在起。通过m o d s i m 6 i b 完成逻辑和时序功能仿真和时序仿真。 设计采用带5 1 内核u s b 2 0 接口芯片完成与上位机的通讯，这样可以在保 证与上位机通信的速度的同时，节约成本( 避免系统多使用个u s b 2 0 通信 控制芯片) ，不仅如此，高速的5 1 内核及芯片的外设功能模块可以完成与系统 其他部分的通信和步进电机的驱动控制。 对于线阵c c d 来说，二值化处理方法容易满足c c d 数据采集系统所需要 的一般要求。但是对于高精度、高分辨率的测量场合来说，二值化处理方法已 经不能满足系统要求，因为它没有办法处理好检测的边缘问题。这样在测量中 使用快速a d c 将是个不错的选择。根据采集的深度，数据可以通过8 k 的 r a m 来进行数据缓存。还有一部分数据采集来自对步进电机步进的精确测量， 这也是出于系统对测量精度的要求。通过光栅测量机构能够比较好的完成这种 测量任务。对于系统的控制除了一些简单的信号量控制外，最重要的就是带动 被测刀片的步进电机的驱动控制。 图2 - 5 展示多功能测控单元的总体方案设计，多功能测控单元具体的工作 流程：带5 1 内核的u s b 2 0 通信接口芯片采用c y p r e s s 公司的f x 2 系列的 u s b 2 0 通信接口芯片，它接收到来自上位机的采集命令后，把任务的具体执行 权交给c p l d 。c p l d 得到采集的执行权后，用该芯片提供的4 8 m h z 的时钟信 号作为基准信号，三分频后用于产生c c d 所需要的驱动信号；c c d 在一系列 驱动脉冲的作用下，输出的图像信号经处理后送入a d c ；c p l d 在采样脉冲 s p 作用下，采集处理后的a d c 输出的数字图像信号，并用一个1 3 位的地址 西华大学硕七毕业论文 译码器驱动r a i v l 地址累积，并使能r a m 片选和写通信号，记录所有的采集 信息；在经过一个积分周期的数据采集、存储后，通知带5 1 内核的u s b 2 0 通 信接口芯片，并把r a m 的主控权交回带5 i 内核的u s b 2 0 通信接口芯片。到 此为止，多功能测控单元完成了横向某个点上的纵向一维数据的采集。通过步 进电机的细化步进带动机械丝杆螺母传动机构，使被测刀具在横向移动一步， 同时5 l 内核通过光栅传感器采集被测刀具的在横向的位移，上传至上位机。这 样通过机械丝杆螺母传动机构完成被测刀具在横向的移动，从而最终完成对被 测刀具的二维上的数据信息的采集。 f i g u r e 2 5 o v e r a l ls y s t e md e s i g no f m u t i l - p r o p o s em e a s u r e m e n ta n dc o n t m ! u n i t 图2 - 5 多功能测控单元的总体方案设计 2 4 多功能测控单元的工作模式 根据检测环境对多功能测控单元的要求，在设计过程中为该测控单元定制 了3 种工作模式： 1 ) 采集模式； 2 ) 上传模式： 3 1 控制模式； 西华大学硕士毕业论文 该系统上电后，首先对系统自身进行初始华，并开始自检。自检结束后， 系统进入控制模式。当p c 机给设备发送控制命令，系统便从控制模式退出， 进入相应的模式。这样的设计可以最大可能减低系统的功耗。 3 种模式相互间的转化如图2 - 6 所示。 f i g u r e 2 - 6m o d et r a n s f o r md i a g r a m 图2 - 6 梭式转化图 模式转化图说明： 收到采集命令或采集上传命令 如果为采集命令，采集结束 上传命令 上传完毕 如果为采集上传命令采集结束 2 4 1采集模式 系统接收到上位机发送的采集模式命令字，后，直至c p l d 产生采集结束 信号的这段时间被定义为采集模式时间。在采集模式中，c y 7 c 6 8 0 1 3 a 做简单 的配置操作，便把系统的总线控制权交给c p l d ，因此采集模式是相对比较封 西华大学硕士毕业论文 闭的控制模式，除强制停止信号外，采集模式不受人为因素控制。 采集模式的工作流程如下面所描述： 硬件系统上电重置后，c y 7 c 6 8 0 1 3 a 等待上位机发送的配置信息。上位机 通过u s b 2 0 总线接口器件将具有采集模式选择字头的采集配置命令传送至 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 后，系统便进入采集模式。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 按照上位机传送过来的 采集配置信息向c p l d 时序控制电路发送采集配置控制数据，同时将总线控制 权赋予c p l d 。c p l d 时序控制芯片按照配置控制数据对采集频率、触发模式 进行配置。当c p l d 时序控制芯片接收到采集触发信号后，a d 转换电路和r a m 分别在a d c l k 与w e c e 控制信号的控制下进行采集、存储，存储时时序控 制电路通过地址总线a d d rb u s 为s r a m 提供写数据地址。a d c l k ，w e c e 以及a d d r 之间有着一定的时序关系。采集结束后，c p l d 向c y 7 c 6 8 0 1 3 a 发送采集结束信号，交回总线控制权，系统进入控制模式。 2 4 2上传模式 系统接收到上传模式选择命令直至单片机产生上传结束信号的那段时间 定义为上传模式时间。在上传模式中，系统完成将采集到的数据上传至上位机 的任务。 上传模式的工作流程描述如下： 上位机通过u s b 总线接口器件将具有上传模式选择字头的上传配置命令 传送至单片机后，系统进入上传模式。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 按照上位机传送过来的上 传配置信息选择需要上传的通道，通过r e c e 向相应的r a m 发送读选通信号， 由数据总线将数据传送至u s b 2 0 接口器件，进而通过u s b 2 0 总线上传至上位 机。在此期间，单片机以分页分段寻址的方式，通过c p l d 地址译码为r a m 提供读数据地址。上传结束后，系统进入控制模式。 2 4 3控制模式 当系统处于接收命令的状态时的模式就是控制模式。系统上电自检结束 后，系统进入控制模式。 西华大学硕士毕业论文 3 多功能测控单元的硬件设计 本部分主要描述了多功能测控单元的各个模块的器件选择和硬件电路的 设计。 3 一数据采集通道设计 3 1 1信号处理电路 首先，分析c c d 输出信号具有什么特性。图